4155526ac8461a94816906c4b5223db76a4102d4
[oota-llvm.git] / docs / LibFuzzer.rst
1 ========================================================
2 LibFuzzer -- a library for coverage-guided fuzz testing.
3 ========================================================
4 .. contents::
5    :local:
6    :depth: 4
7
8 Introduction
9 ============
10
11 This library is intended primarily for in-process coverage-guided fuzz testing
12 (fuzzing) of other libraries. The typical workflow looks like this:
13
14 * Build the Fuzzer library as a static archive (or just a set of .o files).
15   Note that the Fuzzer contains the main() function.
16   Preferably do *not* use sanitizers while building the Fuzzer.
17 * Build the library you are going to test with
18   `-fsanitize-coverage={bb,edge}[,indirect-calls,8bit-counters]`
19   and one of the sanitizers. We recommend to build the library in several
20   different modes (e.g. asan, msan, lsan, ubsan, etc) and even using different
21   optimizations options (e.g. -O0, -O1, -O2) to diversify testing.
22 * Build a test driver using the same options as the library.
23   The test driver is a C/C++ file containing interesting calls to the library
24   inside a single function  ``extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(const uint8_t *Data, size_t Size);``
25 * Link the Fuzzer, the library and the driver together into an executable
26   using the same sanitizer options as for the library.
27 * Collect the initial corpus of inputs for the
28   fuzzer (a directory with test inputs, one file per input).
29   The better your inputs are the faster you will find something interesting.
30   Also try to keep your inputs small, otherwise the Fuzzer will run too slow.
31   By default, the Fuzzer limits the size of every input to 64 bytes
32   (use ``-max_len=N`` to override).
33 * Run the fuzzer with the test corpus. As new interesting test cases are
34   discovered they will be added to the corpus. If a bug is discovered by
35   the sanitizer (asan, etc) it will be reported as usual and the reproducer
36   will be written to disk.
37   Each Fuzzer process is single-threaded (unless the library starts its own
38   threads). You can run the Fuzzer on the same corpus in multiple processes
39   in parallel.
40
41
42 The Fuzzer is similar in concept to AFL_,
43 but uses in-process Fuzzing, which is more fragile, more restrictive, but
44 potentially much faster as it has no overhead for process start-up.
45 It uses LLVM's SanitizerCoverage_ instrumentation to get in-process
46 coverage-feedback
47
48 The code resides in the LLVM repository, requires the fresh Clang compiler to build
49 and is used to fuzz various parts of LLVM,
50 but the Fuzzer itself does not (and should not) depend on any
51 part of LLVM and can be used for other projects w/o requiring the rest of LLVM.
52
53 Flags
54 =====
55 The most important flags are::
56
57   seed                                  0       Random seed. If 0, seed is generated.
58   runs                                  -1      Number of individual test runs (-1 for infinite runs).
59   max_len                               64      Maximum length of the test input.
60   cross_over                            1       If 1, cross over inputs.
61   mutate_depth                          5       Apply this number of consecutive mutations to each input.
62   timeout                               1200    Timeout in seconds (if positive). If one unit runs more than this number of seconds the process will abort.
63   max_total_time                        0       If positive, indicates the maximal total time in seconds to run the fuzzer.
64   help                                  0       Print help.
65   save_minimized_corpus                 0       If 1, the minimized corpus is saved into the first input directory. Example: ./fuzzer -save_minimized_corpus=1 NEW_EMPTY_DIR OLD_CORPUS
66   jobs                                  0       Number of jobs to run. If jobs >= 1 we spawn this number of jobs in separate worker processes with stdout/stderr redirected to fuzz-JOB.log.
67   workers                               0       Number of simultaneous worker processes to run the jobs. If zero, "min(jobs,NumberOfCpuCores()/2)" is used.
68   sync_command                          0       Execute an external command "<sync_command> <test_corpus>" to synchronize the test corpus.
69   sync_timeout                          600     Minimum timeout between syncs.
70   use_traces                            0       Experimental: use instruction traces
71   only_ascii                            0       If 1, generate only ASCII (isprint+isspace) inputs.
72   test_single_input                     ""      Use specified file content as test input. Test will be run only once. Useful for debugging a particular case.
73
74
75 For the full list of flags run the fuzzer binary with ``-help=1``.
76
77 Usage examples
78 ==============
79
80 Toy example
81 -----------
82
83 A simple function that does something interesting if it receives the input "HI!"::
84
85   cat << EOF >> test_fuzzer.cc
86   extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(const unsigned char *data, unsigned long size) {
87     if (size > 0 && data[0] == 'H')
88       if (size > 1 && data[1] == 'I')
89          if (size > 2 && data[2] == '!')
90          __builtin_trap();
91   }
92   EOF
93   # Get lib/Fuzzer. Assuming that you already have fresh clang in PATH.
94   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
95   # Build lib/Fuzzer files.
96   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
97   # Build test_fuzzer.cc with asan and link against lib/Fuzzer.
98   clang++ -fsanitize=address -fsanitize-coverage=edge test_fuzzer.cc Fuzzer*.o
99   # Run the fuzzer with no corpus.
100   ./a.out
101
102 You should get ``Illegal instruction (core dumped)`` pretty quickly.
103
104 PCRE2
105 -----
106
107 Here we show how to use lib/Fuzzer on something real, yet simple: pcre2_::
108
109   COV_FLAGS=" -fsanitize-coverage=edge,indirect-calls,8bit-counters"
110   # Get PCRE2
111   svn co svn://vcs.exim.org/pcre2/code/trunk pcre
112   # Get lib/Fuzzer. Assuming that you already have fresh clang in PATH.
113   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
114   # Build PCRE2 with AddressSanitizer and coverage.
115   (cd pcre; ./autogen.sh; CC="clang -fsanitize=address $COV_FLAGS" ./configure --prefix=`pwd`/../inst && make -j && make install)
116   # Build lib/Fuzzer files.
117   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
118   # Build the actual function that does something interesting with PCRE2.
119   cat << EOF > pcre_fuzzer.cc
120   #include <string.h>
121   #include "pcre2posix.h"
122   extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(const unsigned char *data, size_t size) {
123     if (size < 1) return;
124     char *str = new char[size+1];
125     memcpy(str, data, size);
126     str[size] = 0;
127     regex_t preg;
128     if (0 == regcomp(&preg, str, 0)) {
129       regexec(&preg, str, 0, 0, 0);
130       regfree(&preg);
131     }
132     delete [] str;
133   }
134   EOF
135   clang++ -g -fsanitize=address $COV_FLAGS -c -std=c++11  -I inst/include/ pcre_fuzzer.cc
136   # Link.
137   clang++ -g -fsanitize=address -Wl,--whole-archive inst/lib/*.a -Wl,-no-whole-archive Fuzzer*.o pcre_fuzzer.o -o pcre_fuzzer
138
139 This will give you a binary of the fuzzer, called ``pcre_fuzzer``.
140 Now, create a directory that will hold the test corpus::
141
142   mkdir -p CORPUS
143
144 For simple input languages like regular expressions this is all you need.
145 For more complicated inputs populate the directory with some input samples.
146 Now run the fuzzer with the corpus dir as the only parameter::
147
148   ./pcre_fuzzer ./CORPUS
149
150 You will see output like this::
151
152   Seed: 1876794929
153   #0      READ   cov 0 bits 0 units 1 exec/s 0
154   #1      pulse  cov 3 bits 0 units 1 exec/s 0
155   #1      INITED cov 3 bits 0 units 1 exec/s 0
156   #2      pulse  cov 208 bits 0 units 1 exec/s 0
157   #2      NEW    cov 208 bits 0 units 2 exec/s 0 L: 64
158   #3      NEW    cov 217 bits 0 units 3 exec/s 0 L: 63
159   #4      pulse  cov 217 bits 0 units 3 exec/s 0
160
161 * The ``Seed:`` line shows you the current random seed (you can change it with ``-seed=N`` flag).
162 * The ``READ``  line shows you how many input files were read (since you passed an empty dir there were inputs, but one dummy input was synthesised).
163 * The ``INITED`` line shows you that how many inputs will be fuzzed.
164 * The ``NEW`` lines appear with the fuzzer finds a new interesting input, which is saved to the CORPUS dir. If multiple corpus dirs are given, the first one is used.
165 * The ``pulse`` lines appear periodically to show the current status.
166
167 Now, interrupt the fuzzer and run it again the same way. You will see::
168
169   Seed: 1879995378
170   #0      READ   cov 0 bits 0 units 564 exec/s 0
171   #1      pulse  cov 502 bits 0 units 564 exec/s 0
172   ...
173   #512    pulse  cov 2933 bits 0 units 564 exec/s 512
174   #564    INITED cov 2991 bits 0 units 344 exec/s 564
175   #1024   pulse  cov 2991 bits 0 units 344 exec/s 1024
176   #1455   NEW    cov 2995 bits 0 units 345 exec/s 1455 L: 49
177
178 This time you were running the fuzzer with a non-empty input corpus (564 items).
179 As the first step, the fuzzer minimized the set to produce 344 interesting items (the ``INITED`` line)
180
181 It is quite convenient to store test corpuses in git.
182 As an example, here is a git repository with test inputs for the above PCRE2 fuzzer::
183
184   git clone https://github.com/kcc/fuzzing-with-sanitizers.git
185   ./pcre_fuzzer ./fuzzing-with-sanitizers/pcre2/C1/
186
187 You may run ``N`` independent fuzzer jobs in parallel on ``M`` CPUs::
188
189   N=100; M=4; ./pcre_fuzzer ./CORPUS -jobs=$N -workers=$M
190
191 By default (``-reload=1``) the fuzzer processes will periodically scan the CORPUS directory
192 and reload any new tests. This way the test inputs found by one process will be picked up
193 by all others.
194
195 If ``-workers=$M`` is not supplied, ``min($N,NumberOfCpuCore/2)`` will be used.
196
197 Heartbleed
198 ----------
199 Remember Heartbleed_?
200 As it was recently `shown <https://blog.hboeck.de/archives/868-How-Heartbleed-couldve-been-found.html>`_,
201 fuzzing with AddressSanitizer can find Heartbleed. Indeed, here are the step-by-step instructions
202 to find Heartbleed with LibFuzzer::
203
204   wget https://www.openssl.org/source/openssl-1.0.1f.tar.gz
205   tar xf openssl-1.0.1f.tar.gz
206   COV_FLAGS="-fsanitize-coverage=edge,indirect-calls" # -fsanitize-coverage=8bit-counters
207   (cd openssl-1.0.1f/ && ./config &&
208     make -j 32 CC="clang -g -fsanitize=address $COV_FLAGS")
209   # Get and build LibFuzzer
210   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
211   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
212   # Get examples of key/pem files.
213   git clone   https://github.com/hannob/selftls
214   cp selftls/server* . -v
215   cat << EOF > handshake-fuzz.cc
216   #include <openssl/ssl.h>
217   #include <openssl/err.h>
218   #include <assert.h>
219   SSL_CTX *sctx;
220   int Init() {
221     SSL_library_init();
222     SSL_load_error_strings();
223     ERR_load_BIO_strings();
224     OpenSSL_add_all_algorithms();
225     assert (sctx = SSL_CTX_new(TLSv1_method()));
226     assert (SSL_CTX_use_certificate_file(sctx, "server.pem", SSL_FILETYPE_PEM));
227     assert (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(sctx, "server.key", SSL_FILETYPE_PEM));
228     return 0;
229   }
230   extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(unsigned char *Data, size_t Size) {
231     static int unused = Init();
232     SSL *server = SSL_new(sctx);
233     BIO *sinbio = BIO_new(BIO_s_mem());
234     BIO *soutbio = BIO_new(BIO_s_mem());
235     SSL_set_bio(server, sinbio, soutbio);
236     SSL_set_accept_state(server);
237     BIO_write(sinbio, Data, Size);
238     SSL_do_handshake(server);
239     SSL_free(server);
240   }
241   EOF
242   # Build the fuzzer.
243   clang++ -g handshake-fuzz.cc  -fsanitize=address \
244     openssl-1.0.1f/libssl.a openssl-1.0.1f/libcrypto.a Fuzzer*.o
245   # Run 20 independent fuzzer jobs.
246   ./a.out  -jobs=20 -workers=20
247
248 Voila::
249
250   #1048576        pulse  cov 3424 bits 0 units 9 exec/s 24385
251   =================================================================
252   ==17488==ERROR: AddressSanitizer: heap-buffer-overflow on address 0x629000004748 at pc 0x00000048c979 bp 0x7fffe3e864f0 sp 0x7fffe3e85ca8
253   READ of size 60731 at 0x629000004748 thread T0
254       #0 0x48c978 in __asan_memcpy
255       #1 0x4db504 in tls1_process_heartbeat openssl-1.0.1f/ssl/t1_lib.c:2586:3
256       #2 0x580be3 in ssl3_read_bytes openssl-1.0.1f/ssl/s3_pkt.c:1092:4
257
258 Advanced features
259 =================
260
261 Dictionaries
262 ------------
263 *EXPERIMENTAL*.
264 LibFuzzer supports user-supplied dictionaries with input language keywords
265 or other interesting byte sequences (e.g. multi-byte magic values).
266 Use ``-dict=DICTIONARY_FILE``. For some input languages using a dictionary
267 may significantly improve the search speed.
268 The dictionary syntax is similar to that used by AFL_ for its ``-x`` option::
269
270   # Lines starting with '#' and empty lines are ignored.
271
272   # Adds "blah" (w/o quotes) to the dictionary.
273   kw1="blah"
274   # Use \\ for backslash and \" for quotes.
275   kw2="\"ac\\dc\""
276   # Use \xAB for hex values
277   kw3="\xF7\xF8"
278   # the name of the keyword followed by '=' may be omitted:
279   "foo\x0Abar"
280
281 Data-flow-guided fuzzing
282 ------------------------
283
284 *EXPERIMENTAL*.
285 With an additional compiler flag ``-fsanitize-coverage=trace-cmp`` (see SanitizerCoverageTraceDataFlow_)
286 and extra run-time flag ``-use_traces=1`` the fuzzer will try to apply *data-flow-guided fuzzing*.
287 That is, the fuzzer will record the inputs to comparison instructions, switch statements,
288 and several libc functions (``memcmp``, ``strcmp``, ``strncmp``, etc).
289 It will later use those recorded inputs during mutations.
290
291 This mode can be combined with DataFlowSanitizer_ to achieve better sensitivity.
292
293 AFL compatibility
294 -----------------
295 LibFuzzer can be used in parallel with AFL_ on the same test corpus.
296 Both fuzzers expect the test corpus to reside in a directory, one file per input.
297 You can run both fuzzers on the same corpus in parallel::
298
299   ./afl-fuzz -i testcase_dir -o findings_dir /path/to/program -r @@
300   ./llvm-fuzz testcase_dir findings_dir  # Will write new tests to testcase_dir
301
302 Periodically restart both fuzzers so that they can use each other's findings.
303
304 How good is my fuzzer?
305 ----------------------
306
307 Once you implement your target function ``LLVMFuzzerTestOneInput`` and fuzz it to death,
308 you will want to know whether the function or the corpus can be improved further.
309 One easy to use metric is, of course, code coverage.
310 You can get the coverage for your corpus like this::
311
312   ASAN_OPTIONS=coverage_pcs=1 ./fuzzer CORPUS_DIR -runs=0
313
314 This will run all the tests in the CORPUS_DIR but will not generate any new tests
315 and dump covered PCs to disk before exiting.
316 Then you can subtract the set of covered PCs from the set of all instrumented PCs in the binary,
317 see SanitizerCoverage_ for details.
318
319 User-supplied mutators
320 ----------------------
321
322 LibFuzzer allows to use custom (user-supplied) mutators,
323 see FuzzerInterface.h_
324
325 Fuzzing components of LLVM
326 ==========================
327
328 clang-format-fuzzer
329 -------------------
330 The inputs are random pieces of C++-like text.
331
332 Build (make sure to use fresh clang as the host compiler)::
333
334     cmake -GNinja  -DCMAKE_C_COMPILER=clang -DCMAKE_CXX_COMPILER=clang++ -DLLVM_USE_SANITIZER=Address -DLLVM_USE_SANITIZE_COVERAGE=YES -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release /path/to/llvm
335     ninja clang-format-fuzzer
336     mkdir CORPUS_DIR
337     ./bin/clang-format-fuzzer CORPUS_DIR
338
339 Optionally build other kinds of binaries (asan+Debug, msan, ubsan, etc).
340
341 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23052
342
343 clang-fuzzer
344 ------------
345
346 The behavior is very similar to ``clang-format-fuzzer``.
347
348 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23057
349
350 llvm-as-fuzzer
351 --------------
352
353 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=24639
354
355 llvm-mc-fuzzer
356 --------------
357
358 This tool fuzzes the MC layer. Currently it is only able to fuzz the
359 disassembler but it is hoped that assembly, and round-trip verification will be
360 added in future.
361
362 When run in dissassembly mode, the inputs are opcodes to be disassembled. The
363 fuzzer will consume as many instructions as possible and will stop when it
364 finds an invalid instruction or runs out of data.
365
366 Please note that the command line interface differs slightly from that of other
367 fuzzers. The fuzzer arguments should follow ``--fuzzer-args`` and should have
368 a single dash, while other arguments control the operation mode and target in a
369 similar manner to ``llvm-mc`` and should have two dashes. For example::
370
371   llvm-mc-fuzzer --triple=aarch64-linux-gnu --disassemble --fuzzer-args -max_len=4 -jobs=10
372
373 Buildbot
374 --------
375
376 We have a buildbot that runs the above fuzzers for LLVM components
377 24/7/365 at http://lab.llvm.org:8011/builders/sanitizer-x86_64-linux-fuzzer .
378
379 Pre-fuzzed test inputs in git
380 -----------------------------
381
382 The buildbot occumulates large test corpuses over time.
383 The corpuses are stored in git on github and can be used like this::
384
385   git clone https://github.com/kcc/fuzzing-with-sanitizers.git
386   bin/clang-format-fuzzer fuzzing-with-sanitizers/llvm/clang-format/C1
387   bin/clang-fuzzer        fuzzing-with-sanitizers/llvm/clang/C1/
388   bin/llvm-as-fuzzer      fuzzing-with-sanitizers/llvm/llvm-as/C1  -only_ascii=1
389
390
391 FAQ
392 =========================
393
394 Q. Why Fuzzer does not use any of the LLVM support?
395 ---------------------------------------------------
396
397 There are two reasons.
398
399 First, we want this library to be used outside of the LLVM w/o users having to
400 build the rest of LLVM. This may sound unconvincing for many LLVM folks,
401 but in practice the need for building the whole LLVM frightens many potential
402 users -- and we want more users to use this code.
403
404 Second, there is a subtle technical reason not to rely on the rest of LLVM, or
405 any other large body of code (maybe not even STL). When coverage instrumentation
406 is enabled, it will also instrument the LLVM support code which will blow up the
407 coverage set of the process (since the fuzzer is in-process). In other words, by
408 using more external dependencies we will slow down the fuzzer while the main
409 reason for it to exist is extreme speed.
410
411 Q. What about Windows then? The Fuzzer contains code that does not build on Windows.
412 ------------------------------------------------------------------------------------
413
414 The sanitizer coverage support does not work on Windows either as of 01/2015.
415 Once it's there, we'll need to re-implement OS-specific parts (I/O, signals).
416
417 Q. When this Fuzzer is not a good solution for a problem?
418 ---------------------------------------------------------
419
420 * If the test inputs are validated by the target library and the validator
421   asserts/crashes on invalid inputs, the in-process fuzzer is not applicable
422   (we could use fork() w/o exec, but it comes with extra overhead).
423 * Bugs in the target library may accumulate w/o being detected. E.g. a memory
424   corruption that goes undetected at first and then leads to a crash while
425   testing another input. This is why it is highly recommended to run this
426   in-process fuzzer with all sanitizers to detect most bugs on the spot.
427 * It is harder to protect the in-process fuzzer from excessive memory
428   consumption and infinite loops in the target library (still possible).
429 * The target library should not have significant global state that is not
430   reset between the runs.
431 * Many interesting target libs are not designed in a way that supports
432   the in-process fuzzer interface (e.g. require a file path instead of a
433   byte array).
434 * If a single test run takes a considerable fraction of a second (or
435   more) the speed benefit from the in-process fuzzer is negligible.
436 * If the target library runs persistent threads (that outlive
437   execution of one test) the fuzzing results will be unreliable.
438
439 Q. So, what exactly this Fuzzer is good for?
440 --------------------------------------------
441
442 This Fuzzer might be a good choice for testing libraries that have relatively
443 small inputs, each input takes < 1ms to run, and the library code is not expected
444 to crash on invalid inputs.
445 Examples: regular expression matchers, text or binary format parsers.
446
447 Trophies
448 ========
449 * GLIBC: https://sourceware.org/glibc/wiki/FuzzingLibc
450
451 * MUSL LIBC:
452
453   * http://git.musl-libc.org/cgit/musl/commit/?id=39dfd58417ef642307d90306e1c7e50aaec5a35c
454   * http://www.openwall.com/lists/oss-security/2015/03/30/3
455
456 * pugixml: https://github.com/zeux/pugixml/issues/39
457
458 * PCRE: Search for "LLVM fuzzer" in http://vcs.pcre.org/pcre2/code/trunk/ChangeLog?view=markup
459
460 * ICU: http://bugs.icu-project.org/trac/ticket/11838
461
462 * Freetype: https://savannah.nongnu.org/search/?words=LibFuzzer&type_of_search=bugs&Search=Search&exact=1#options
463
464 * Linux Kernel's BPF verifier: https://github.com/iovisor/bpf-fuzzer
465
466 * LLVM:
467
468   * Clang: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23057
469
470   * Clang-format: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23052
471
472   * libc++: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=24411
473
474   * llvm-as: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=24639
475
476   * Disassembler:
477
478     * Mips: Discovered a number of untested instructions for the Mips target
479       (see valid-mips*.s in http://reviews.llvm.org/rL247405,
480       http://reviews.llvm.org/rL247414, http://reviews.llvm.org/rL247416,
481       http://reviews.llvm.org/rL247417, http://reviews.llvm.org/rL247420,
482       and http://reviews.llvm.org/rL247422) as well some instructions that
483       successfully disassembled on ISA's where they were not valid (see
484       invalid-xfail.s files in the same commits).
485
486 .. _pcre2: http://www.pcre.org/
487
488 .. _AFL: http://lcamtuf.coredump.cx/afl/
489
490 .. _SanitizerCoverage: http://clang.llvm.org/docs/SanitizerCoverage.html
491 .. _SanitizerCoverageTraceDataFlow: http://clang.llvm.org/docs/SanitizerCoverage.html#tracing-data-flow
492 .. _DataFlowSanitizer: http://clang.llvm.org/docs/DataFlowSanitizer.html
493
494 .. _Heartbleed: http://en.wikipedia.org/wiki/Heartbleed
495
496 .. _FuzzerInterface.h: https://github.com/llvm-mirror/llvm/blob/master/lib/Fuzzer/FuzzerInterface.h